聚变能是解决人类能源问题的重要途径,其中材料问题是聚变堆关键问题之一。磁约束聚变堆中,高能量、高密度的氘氚等离子体不断进行聚变核反应,释放出高能量中子,诱导结构材料发生嬗变反应,生成大量杂质原子,杂质原子偏聚在晶界区域能够显著降低材料的力学性能。本论文基于密度泛函理论,从原子尺度上研究了金属钒和低活化钢中的晶界与杂质He原子的相互作用,阐明了 He原子在晶界上偏聚和扩散行为,以及低活化钢中晶界合金相在不同服役温度条件下的转变机理,为优化和提高合金力学性能提供理论基础。钒合金具有低活化、高热导率和优异的抗高温热应力等性能,成为先进核反应堆和聚变堆的备选结构材料。为了探究He原子与金属钒晶界的相互作用,我们选取了三种具有代表性的晶界,∑3（112）、∑3（111）和∑5（012）,研究了 He原子在晶界中的偏聚、扩散以及对晶界的理论拉伸强度的影响。∑3（112）晶界具有致密的结构,与其它两种晶界相比,其表现出了更好的抑制He偏聚的能量。对于He原子垂直于晶界的扩散,即从晶粒内部扩散到晶界区域,He可以以高于体扩散的速率进入∑3（111）,但是比较难扩散进入∑3（112）和∑5（012）晶界区域。此外He原子偏聚在晶界处,贫化了周围的电荷密度,弱化了晶界区域内原子间的相互作用,降低了晶界的理论拉伸强度。低活化钢具有高的力学强度、优异的抗高温和抗辐照性能等优点,成为目前聚变堆中被广泛使用的结构材料。低活化钢以纯Fe为基体,因此我们主要研究了 He在纯铁的∑3（112）和∑3（111）晶界中的偏聚和扩散行为,发现He原子倾向于偏聚在晶界区域。对比He在晶界偏聚位上的弹性畸变能（He偏聚在晶界区域导致周围原子的位移而引起的能量变化）和化学相互作用能（He原子偏聚引起周围电荷密度变化而导致的能量变化）,发现化学相互作用主导了 He原子在晶界区域的偏聚。此外He原子不容易扩散进入∑3（111）晶界,但可以加速进入∑3（112）晶界。通过分析扩路径上鞍点的局域结构和能垒变化,发现He原子沿晶界方向扩散的能垒主要来自于弹性畸变能,即晶界局域原子结构的畸变导致了较高的扩散能垒。低活化钢中一般会加入8～9at%Cr作为第二组分,因此我们主要研究了不同的Cr含量的∑3（1 12）界面对He的偏聚和扩散行为的影响。发现晶界能随着Cr含量的增加而先降低后增加,说明纯Fe晶界只能偏聚适量的Cr。含Cr的界面阻碍了 He原子的偏聚。对于He沿晶界面扩散,低Cr含量的晶界面提高了 He的扩散能垒,高Cr含量的界面降低He的扩散能垒。特别是当晶界面被Cr完全覆盖时,He沿着[111]方向扩散的能垒为0.08 eV,与He在纯Fe基体中的扩散能垒0.06 eV接近。铁铬合金作为低活化钢的主要成分,基体Cr含量和温度对Fe-Cr合金的晶界具有重要的影响,因此我们主要研究了 Fe1-xCrx合金的∑3（112）晶界随温度（0 ≤ T ≤ 900 K）和基体Cr含量（0 ≤x≤ 0.2）变化的影响。发现在不同含量的Fe-Cr合金中Cr在晶界区域的平衡浓度出现一个显著的变化,从轻微的Cr元素偏聚（基体Cr含量x≤ 0.06）到完全Cr的偏聚（基体Cr含量0.08≤x≤0.15）。当温度为室温或者低于室温的温度时,晶界合金固溶体在热力学上不稳定,倾向于形成富Fe和富Cr相的两相共存区,而富Cr相可以进一步作为二次相析出的形核中心。以上工作主要选取了两种聚变堆结构材料,研究了 He原子在晶界中的偏聚、扩散行为以及对晶界力学性能的影响。最后为了探究Fe-Cr二元随机合金,应用相干势近似方法,研究了随机合金中晶界合金随温度和基体Cr含量的变化。本文为理解晶界上偏聚的He原子导致材料力学性能恶化以及晶界合金相随温度的演化提供理论基础,有益于改善和设计出耐氘氚等离子体辐照的结构材料,从而实现提高聚变堆的服役寿命。